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近日，我所催化基础国家重点实验室及洁净能源国家实验室李灿院士和中科院“百人计划”学者陈钧研究员负责的人工光合研究项目取得新进展：将自然光合作用酶PSII和人工半导体纳米光催化剂自组装构建了太阳能光催化全分解水杂化体系，实现了太阳光下的全分解水反应（即：2H2O®O2+2H2），相关研究结果发表在近期的《自然-通讯》期刊上(Wangyin Wang, Jun Chen, Can Li, Wenming Tian, Nature Communications, 2014, 5:4647 doi: 10.1038/ncomms5647)。这是国际上第一例在“自然和人工光合杂化体系上实现太阳能全分解水制氢”的研究报道。
太阳能光催化分解水制氢是科学界最具挑战的课题之一，受到世界各国科学家越来越广泛的重视。实现水分解反应的关键是构建高效的光催化体系。大部分人工光催化剂体系的催化剂活性比自然光合体系的催化活性低，尤其水氧化助催化剂的活性更低（一般比自然光合体系PSII中CaMn4O5簇的活性低3-4个数量级），而自然光合体系的捕光范围和稳定性不如基于无机半导体的人工光合体系优越，因此李灿团队提出了复合人工光合体系的理念，试图杂化集成两种体系的优势，建立自然光合和人工光合的复合杂化体系，以期实现太阳能到化学能的高效转化，并揭示自然光合体系的奥秘。围绕这一理念已先后构建了杂化体系实现了高效产氢、氢转移及CO2加氢等还原反应，受邀在Accounts of Chemical Research上发表综述文章 (Acc. Chem. Res., 2013, 46, 2355) ，阐述了复合人工光合作用体系的科学意义和构建策略，为发展全分解水体系奠定了基础。
在自然光合作用中，PSII酶利用太阳能高效催化水氧化反应，放出氧气并产生当量质子和电子，为了实现太阳能光催化全分解水，基于复合人工光合作用体系的思路，在本工作中结合光合酶PSII和人工光催化剂的优势，构建了植物PSII酶和半导体光催化剂（例如，Ru/SrTiO3:Rh）的自组装杂化光合体系，以无机离子对[Fe(CN)63-/Fe(CN)64-]由自然酶PSII向人工Ru/SrTiO3:Rh催化剂传递电子，在可见光照射下实现了化学计量比全分解水。分解水产氢活性达到了2489 mol H2 (mol PSII)-1 h-1，而且在户外阳光下也实现了分解水反应。研究还发现PSII膜片段可以通过自组装的方式结合在无机催化剂表面，PSII氧化水产生的电子通过界面处传递离子对将电子转移到半导体催化剂表面参与质子还原产氢反应。该研究为进一步构建和发展“自然-人工”杂化的太阳能高效光合体系提供了原初的思路。
该研究工作得到了国家自然科学基金项目和科技部973项目的资助。 （文/王旺银 图/陈钧）
